200°C poniżej zera
Kilka razy w ciągu minuty wciągasz do płuc azot
 główny składnik powietrza. Jeśli jednak ten sam
azot doprowadzimy do stanu ciekłego, będzie on miał
temperaturÄ™ niemal  200° Celsjusza. Przy takim zimnie
znika opór elektryczny, a zamrożony kwiat stłucze się
jak szkło.
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
Eksperymentuj!
TrochÄ™ teorii
TrochÄ™ teorii
Zbudowana w Yamanashi (Japonia) kolej
magnetyczna JR-Maglev (od magnetic
levitation) nie jez
dzi po szynach, tylko
unosi siÄ™ nad nadprzewodzÄ…cymi
magnesami. Brak tarcia sprawia, że
pociąg rozwija prędkość 600 km/h
wiotki, jakby uszło z niego powietrze.
Ale spokojnie, balon nie jest dziurawy!
To tylko zamknięte w nim powietrze
bardzo się ochłodziło i zajmuje mniej-
szą objętość. W temperaturze pokojo-
wej zamknięte w baloniku powietrze
ogrzewa się i zwiększa swoją objętość.
Balonik sam siÄ™ nadmuchuje.
pojemniku używanym w trakcie rodzaju  szkielet usztywniający. Mo- Eksperyment ten wyjaśnia, dlaczego
Wpokazu przechowywany jest że on mieć strukturę bardzo regu- zimą trzeba się napracować bardziej
azot o temperaturze  196°C. Znaj- larnÄ… (mówimy wówczas o kryszta- niż latem, zanim napompuje siÄ™ koÅ‚o
duje się on na granicy między sta- le) lub nieuporządkowaną (tak jak samochodu lub roweru.
nem ciekłym i gazowym. Paruje całą np. w szkle). Wysoka temperatura Używając ciekłego azotu, możemy
objętością lub  mówiąc potocznie powoduje, że atomy nie są sztywno skroplić inne gazy, np. tlen. Gdy wle-
 gotuje się. Unoszący się nad zbior- osadzone w szkielecie, lecz przez cały jemy ciekły azot do metalowej puszki,
nikiem biały dym to skroplona para czas drgają. Im słabszy szkielet lub im ścianki naczynia stają się mokre; widać
wodna. Próby odsłonięcia powierzchni mocniej drgają atomy, tym łatwiej cia- wyraz
nie, że do wysokości, do której
ciekłego azotu przez zdmuchiwanie ło odkształcić. W niskiej temperaturze sięga ciekły azot, są one ciemniejsze niż
mglistej zasłony są z góry skazane na atomy drgają o wiele słabiej i konstruk- ścianki powyżej jego poziomu. Obser-
niepowodzenie. cja szkieletu usztywnia się. Ciała stają wując to zjawisko, można by sądzić, że
W niskich temperaturach przedmioty się twardsze i zazwyczaj bardziej kru- jest to skraplająca się woda. Przecież je-
miękkie i plastyczne stają się bardzo che (kruchość oznacza, że substancja śli zimną butelkę postawimy w ciepłym
twarde i kruche. Banan w tempera- woli podzielić się na drobne kawałki pomieszczeniu, momentalnie pojawiają
turze  196°C staje siÄ™ tak twardy, że z niezdeformowanym szkieletem, niż siÄ™ na niej kropelki wody. Ale nasze na-
można nim wbijać gwoz
dzie! Ale już stanowić jeden duży przedmiot z od- czynie ma temperaturÄ™ ok.  200°C, wo-
silnie zmrożone jabłko nie jest dobrym kształconym szkieletem). da powinna więc zamienić się w lód! Tą
młotkiem  kruszy się w momencie ude- Również zachowanie gazów w znacz-  mokrą substancją jest... ciekły tlen!
rzenia. Zarówno banan, jak i jabłko stają nym stopniu zależy od temperatury. Gaz Tlen z powietrza w kontakcie z zimną
się twarde, ponieważ woda znajdująca zimny zajmuje mniejszą objętość niż gaz puszką ulega skropleniu (temperatura
siÄ™ w ich miąższu zamarza. JabÅ‚ko za- gorÄ…cy. Po wyjÄ™ciu ze zbiornika z cie- skraplania  186°C) i spÅ‚ywa po jej Å›cian-
wiera znacznie więcej wody niż banan kłym azotem nadmuchany balonik jest kach. Aby przekonać się, że rzeczywiście
(jest soczyste, podczas gdy banan przy-
pomina kleik) i po zamarznięciu staje się
po prostu bryłą kruchego lodu.
Przedmioty, w których składzie
w ogóle nie ma wody, również tward-
niejÄ… w ekstremalnie niskich temperatu-
rach. OÅ‚owiany dzwon w temperaturze
pokojowej nie potrafi wydobyć z siebie
pięknego dz
więku, gdyż jego serce,
uderzając w płaszcz, odkształca miękki
metal, zamiast wprawić go w wibracje.
Ten sam dzwon rozbrzmiewa jednak
pięknym tonem, jeśli zanurzymy go na
chwilę w ciekłym azocie. Dlaczego tak
się dzieje? Przecież w dzwonie z oło-
wiu nie ma wody?!
Cząsteczki (lub atomy), z których
zbudowana jest dana substancja,
oddziaÅ‚ujÄ… na siebie siÅ‚ami (natury Tabletka spieku ceramicznego YBaCuO schÅ‚odzona do  183°C staje siÄ™ nadprze-
elektrycznej), które stanowią swego wodnikiem i dzięki temu może lewitować w polu magnetycznym
Eksperymentuj!
Fot. Wikipedia, Jacek BÅ‚oniarz-A
uczak, archiwum 2x, Corbis; rys. Małgorzata Świentczak 2x
O historii
ierwszego skroplenia azotu do- współcześnie stosuje się chłodzenie
Pkonali w 1883 roku w Krakowie gazu metodą rozprężania, wykorzy-
Karol Olszewski i Zygmunt Wróblewski stując tzw. efekt Joule a-Thomsona.
 dwaj profesorowie fizyki i chemii Zjawisko to możemy obserwować,
Uniwersytetu Jagiellońskiego. W tych gdy maksymalnie otworzymy zawór
czasach skraplanie gazów było nie lada turystycznej butli gazowej. Sprężony
wyzwaniem. Dwaj Polacy zastosowali gaz, wydostając się z butli, zwiększa
metodę kaskadową, tzn. wielokrotnie swoją objętość i ulega gwałtownemu
wykonywali tę samą procedurę, która ochłodzeniu. Na zaworze butli osadza
Na ściankach metalowego naczynia, początkowo obniżała temperaturę się szron. Stosowana obecnie metoda
w którym znajduje się ciekły azot, o kilkadziesiąt stopni Celsjusza, a na skraplania azotu jest tania i wydajna
pojawiają się krople cieczy  to skrop- końcu o kilka stopni. Technika ta by-  litr ciekłego azotu kosztuje tyle co
lony tlen ła czasochłonna i droga. Dlatego też litr wody mineralnej.
mamy do czynienia z tlenem, wystarczy
pod puszką umieścić płomień świecy.
Tlen spala się błyskawicznie, a już spa-
dające krople ciekłego azotu nie dają
takiego efektu.
W niskich temperaturach prawie
wszystkie przewodniki przechodzÄ…
w stan nadprzewodzÄ…cy. Charakte-
ryzuje siÄ™ on m.in. zerowym oporem
elektrycznym. Oznacza to, że prąd
elektryczny może krążyć w pierście-
niu nadprzewodzącym nieskończenie
długo, i to bez podłączonego z
ródła
prądu. Inną cechą, która wyróżnia Zygmunt Wróblewski (z lewej) wraz z Karolem Olszewskim 5 kwietnia 1883 roku dokonali
nadprzewodnik, jest wypychanie pola pierwszego na świecie skroplenia tlenu. Kilka dni póz
niej ta sama sztuka udała się im
magnetycznego ze swojego wnętrza z azotem
(efekt Meissnera). Niektóre nadprze-
wodniki nie wypychają pola całko-
Współczesne zastosowania
wicie, lecz pozostawiajÄ… w swoim
wnętrzu tzw. wiry pola magnetycz-
nego. Wypychanie pola i chwytanie
wirów powoduje, że nadprzewodnik laboratoriach klinicznych ciekły
lewituje nad magnesem. Efekt ten Wazot wykorzystywany jest do
można zaobserwować, umieszczając zamrażania materiału biologicznego,
w polu magnetycznym schłodzoną do np. nasion i tkanek roślinnych, tkanek
 183°C pastylkÄ™ spieku ceramicznego zwierzÄ™cych, lub do przechowywania
YBaCuO. zapłodnionych komórek jajowych, tzw.
embrionów. Dzięki jego temperaturze
 196 °C proces zamrażania jest bardzo
szybki. Zawarta w każdej żywej tkan-
ce woda, zamieniając się w lód, nie
 zdąża utworzyć sieci krystalicznej Ciekły azot jest przechowywany
 powstaje lód bezpostaciowy, który w specjalnych dobrze izolowanych
nie zwiększa objętości w trakcie zama- zbiornikach zwanych dewarami. Nie
rzania. Dzięki temu nie rozsadza on ko- mogą one być szczelnie zamknięte, bo
mórek, a tkanka  po odgrzaniu  jest parujący azot wytwarzałby ciśnienie,
w pełni funkcjonalna. W medycynie które mogłoby rozerwać dewar
ciekły azot stosowany jest też w krio-
terapii polegającej na krótkotrwałym, Do obserwacji subtelnych zjawisk
ale silnym, oziębianiu zmienionych mikroświata potrzebują oni jednak
Linie pola magnetycznego zostają chorobowo tkanek. obniżenia temperatury próbek nawet
wypchniÄ™te z nadprzewodnika, gdy ten Azot w postaci ciekÅ‚ej, jako me- poniżej  270°C. Aby uzyskać tak silne
ma temperaturę (T) niższą od krytycznej dium chłodzące, jest również co- oziębienie, stosują ciekły hel, którego
(Tc) (efekt Meissnera) dziennym narzÄ™dziem pracy fizyków. temperatura wynosi  269°C.
A to ciekawe
godnie z obserwacją Gordona a ilość wydzielanego na nim ciepła, problemów stojących przed konstrukto-
ZMoore a (jednego z założycieli przy maksymalnym obciążeniu pro- rami szybkich procesorów. Próby używa-
firmy Intel) moc obliczeniowa proce- cesora, wynosi 84 W. Gdyby rdzeń nia ciekłego azotu do chłodzenia proce-
sorów podwaja się co 12 18 miesięcy. miał powierzchnię 1m2, to wypromie- sorów są podejmowane już od dawna.
Do niedawna głównym zmartwie- niowywałby moc równą 840 kW (dla Wyjątkowo wydajne chłodzenie, jakie
niem inżynierów była miniaturyzacja porównania moc wydzielana przez zapewnia ciekły azot o temperaturze
ukÅ‚adów scalonych i zaprojektowanie żelazko ustawione na maksymalnÄ…  196°C, jest niezbÄ™dne np. w trakcie
samego układu elektronicznego. Dziś temperaturę wynosi ok. 100 kW/m2). ekstremalnego przetaktowywania pro-
podstawowym problemem technicz- Wynika z tego, że współczesne proce- cesorów (przyspieszania ich pracy).
nym jest duża ilość ciepła wytwarzana sory wydzielają od 8 do 10 razy więcej Czy ten sposób chłodzenia ma szan-
na niewielkiej powierzchni rdzenia ciepła na jednostkę powierzchni niż sę trafić do naszych domowych kom-
procesora. Dobrym przykładem może rozgrzane żelazko! puterów? To trochę kłopotliwe, ale
być procesor Pentium IV 3,2 GHz. Po- W tej sytuacji odprowadzanie cie- jeżeli okazałoby się, że dodatkowe
wierzchnia rdzenia wynosi 112 mm2, pła staje się jednym z najważniejszych koszty związane z zastosowaniem ta-
kiego sposobu obniżania temperatury
zostałyby zrekompensowane przez
wzrost mocy obliczeniowej, to w za-
sadzie nic nie stoi na przeszkodzie,
żeby stosować ciekły azot jako me-
dium chłodzące. Pozostaje oczywiście
problem zaopatrywania się w ciekły
azot, bo choć nie jest on drogi (koszt
porównywalny do wody mineralnej),
to ponieważ stale paruje, należałoby
go często uzupełniać.
Pracujący pod obciążeniem nowoczesny
procesor komputerowy wydziela
ogromną ilość ciepła. Dlatego obecnie
jednym z największych problemów
hamujących wzrost wydajności
procesorów jest ich chłodzenie
Więcej doświadczeń
W internecie
o czego jeszcze można użyć cie-
Dkłego azotu? Okazuje się, że z po- Różne pomysły na wykorzystanie
wodzeniem można go wykorzystać ciekłego azotu
w kuchni, np. do zrobienia lodów. www.physik.uni-augsburg.de/~ubws/
Na początku należy przygotować ma- nitrogen.html
sę, którą będziemy zamrażać. Potrzebu-
jemy następujących składników: Wszystko o azocie
4 szklanki śmietanki kremówki http://pl.wikipedia.org/wiki/
(można wymieszać pół na pół z mle- Ciek%C5%82y_azot
kiem), 1 laska prawdziwej wanilii, łyżką. Możemy oczywiście zrobić w ten
1 szklanka cukru i oczywiście ciekły sposób lody o dowolnym smaku  wy- Przepisy na nietypowe sorbety
azot (2 4 litry). starczy dodać szklankę zmiksowanych www.browniepointsblog.
Schłodzoną śmietankę ubić z cukrem truskawek, jagód, jabłek itp. Jedynym com/2007/05/11/liquid-nitrogen-
i wanilią na bitą śmietanę w metalo- ograniczeniem będzie nasza wyobraz
- -sorbets
wym naczyniu. Następnie zachowu- nia. Co ciekawe, za pomocą ciekłego
jąc wszelkie środki bezpieczeństwa azotu można w prosty sposób przy- Ciekły azot i komputery
(okulary ochronne, rękawice) wlać do gotować lody (sorbety), które trudno www.tomshardware.
masy ciekły azot, jednocześnie ener- zrobić tradycyjną metodą  np. sorbet com/2003/12/30/5_ghz_project
gicznie mieszając masę drewnianą z dżinu z tonikiem.
www.kopernik.org.pl
CENTRUM NAUKI
KOPERNIK
Eksperymentuj!
Fot. Centrum Nauki Kopernik, archiwum, www.recipes4us.co.uk